Ветряные электростанции в открытом море
Спрос на электроэнергию растет с каждым днем. И единственным решением этой проблемы является использование возобновляемых источников энергии, таких, как энергия ветра, солнца, воды, и т.п. Среди них ветер способен производить основной объем энергии. Так как ветряные электростанции требуют большого пространства и адекватного количества ветра, то поиск места для их размещения на суше, становится непростой задачей из-за роста населения, и общих потребностей цивилизации.
Это вынуждает использовать ветряные электростанции, располагаемые в открытом море.
Используя ветер над морем, можно производить значительные объемы электроэнергии. Однако здесь возникает проблема доставки полученной электроэнергии с ветряной электростанции, находящейся в открытом море, на берег, и затем к электрическим компаниям.
Мощность ветряных электростанций колеблется от 400 МВт до 1200 МВт, и они размещаются на расстоянии от 50 до 400 км от берега.
Технологии
Существуют три основных технологии, из которых здесь подробно рассматривается третья - HVDC VSC.
1. HVAC (Переменный ток высокого напряжения)
2. HVDC LCC (Постоянный ток высокого напряжения с использованием преобразователей с линейной коммутацией)
3. HVDC VSC (Постоянный ток высокого напряжения с использованием преобразователей с питанием от источника напряжения)
Технология HVDC VSC в целом
Станция преобразования постоянного тока высокого напряжения
Технология передачи постоянного тока высокого напряжения, использующая преобразователи VSC (с питанием от источника напряжения), является относительно новой, поскольку она использует биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ). Основными компаниями, продвигающими технологию HVDC VSC, являются ABB и Siemens. Эта технология называется в ABB технологией "HVDC light", а компания Siemens использует для нее наименование "HVDC Plus".
Основными компонентами системы передачи электроэнергии с ветряных электростанций в открытом море, при использовании технологии HVDC VSC, являются:
1. Преобразовательные станции (как в море, так и на суше)
2. Кабельная пара (кабели с полимерным прессованием)
Преобразовательная станция HVDC VSC
Схема конвертерной станции VSC показана на приведенном ниже рисунке. Важным компонентом системы является устройство VSC. Оно выполняет преобразование переменного тока в постоянный, и наоборот. Такая станция занимает много места.
Преобразователь использует БТИЗ, поэтому, благодаря развитию полупроводниковой технологии, он может достичь высоких напряжений преобразуемой энергии. Поскольку частота переключений увеличивает количество гармоник, при этом также снижается количество фильтров. Но это увеличивает потери энергии и неэффективность системы.
Система переменного тока соединена с преобразователем посредством трансформатора, позволяющего увеличить напряжение до того уровня, который требуется на входе преобразователя VSC. Этот трансформатор также обеспечивает реактивное сопротивление между системой переменного тока и системой VSC, предотвращая движение тока нулевой частоты между системой переменного тока и преобразователем.
Схема преобразовательной станции VSC
Обозначения на рисунке:
1. Выключатель конвертерной станции VSC
2. Фильтр гармоник со стороны системы
3. Фильтр интерференции радиочастот на стороне переменного тока
4. Промежуточный трансформатор
5. Фильтр гармоник со стороны преобразователя
6. Фильтр блокировки высоких частот / фазовый электрический реактор
7. Устройство VSC
8. Конденсатор постоянного тока VSC
9. Фильтр гармоник постоянного тока
10. Фильтр ветви заземления нейтральной точки
11. Электрический реактор постоянного тока
12. Блокирующий реактор общего назначения
13. Интерференция радиочастот со стороны постоянного тока
14. Кабель постоянного тока или воздушная линия электропередачи
С обеих сторон используется множество фильтров, с тем, чтобы снизить количество гармоник в системе, и, за счет этого, улучшить общее функционирование системы.
На стороне, расположенной на берегу, необходима вспомогательная система электрического питания, для того, чтобы обеспечить работу системы охлаждения, воздушного кондиционирования, и устройств управления и защиты.
Многоуровневая топология преобразователя HVDC VSC
Силовая станция HVDC plus состоит из следующих компонентов:
1. Распределительного оборудования с газовой изоляцией
2. Стандартных трансформаторов переменного тока
3. Систем управления и защиты
4. Системы охлаждения морской водой для использования в море
5. Модульных многоуровневых преобразователей
Система HVDC plus использует три однофазных устройства. Каждое устройство имеет две ветви преобразования, в состав которых входит модуль преобразователя и реактор. Каждый модуль преобразователя состоит из большого числа последовательно соединенных силовых модулей, в основном, это БТИЗ.
Силовой модуль содержит 2 БТИЗ, элементы накопления постоянного тока, и силовую электронику. Такая конструкция обеспечивает достаточную избыточность.
Традиционные двух- и трехуровневые преобразователи генерируют прямоугольную форму волны. Это создает множество гармоник и нагрузок во всех компонентах. Для получения совершенной синусоидальной формы волны требуется значительное применение фильтров и методов сглаживания.
Схема 2 - уровневого преобразователя HVDC
Многоуровневый преобразователь HVDC plus
Кабели
Вместо старых, заполненных маслом кабелей, для получения улучшенных тепловых характеристики, используются кабели, изолированные отпрессованным полимером. Такие кабели обладают хорошей механической гибкостью, и могут быть уложены при помощи глубоководных подводных лодок.
План топологии HVDC VSC в море
Преимущества систем HVDC VSC
1. Независимое управление активной и реактивной мощностью на каждой конверторной станции, находящейся как в море, так и на суше
В станциях, располагающихся в море, реактивная мощность может вырабатываться для снабжения ветряных турбин. Тем самым, введение активной мощности в линию передачи электроэнергии может быть контролируемым. В станциях, находящихся на берегу, реактивная и активная мощности могут изменяться для управления колебаниями напряжения и частоты тока в сети переменного тока.
2. Ветряная электростанция, соединенная с маломощной сетью, может создавать проблемы, связанные с изменениями ветра и колебаниями генерации энергии
Эти проблемы могут быть решены, если достигается управление активной и реактивной мощностью. Поэтому возможно подключение к слабой сети.
3. Батареи конденсаторов преобразователей или STATCOM
Вентили конверторной станции требуют наличия реактивной мощности, поэтому необходимо включать в конструкцию преобразователей батареи конденсаторов или системы STATCOM. STATCOM использует технологию VSC, и улучшает операционные характеристики конвертной станции, благодаря своей способности создавать или поглощать реактивную мощность.
4. Возможность функционирования в качестве STATCOM, создавая или поглощая реактивную мощность, без поглощения или генерации активной мощности
Такая характеристика очень важна, если уровень напряжения на одном конце линии передачи должен быть управляемым.
5. Не создаются токи короткого замыкания
Короткое замыкание на стороне сети не оказывает серьезного влияния на состояние системы на стороне постоянного тока. Если в системе переменного тока возникает отказ заземления или короткое замыкание, то там, где падает напряжение переменного тока, передаваемое напряжение постоянного тока автоматически снижается до заранее установленного значения.
6. Снижен риск отказов коммутационного оборудования
Искажения в системах переменного тока в классических системах постоянного тока высокого напряжения приводят к отказам коммутационного оборудования. Система HVDC VSC использует собственные полупроводниковые коммутационные устройства, поэтому воздействие колебаний высокого напряжения больше не играют роли. Это значительно снижает риск отказов коммутационного оборудования.
7. Нет потребности в коммуникациях
Система управления, используемая на стороне преобразователя и инвертора, может функционировать независимо. Этим системам не требуется применение телекоммуникаций. Это увеличивает скорость и надежность контроллеров.
8. Система проще в проектировании и более компактна, чем станции LCC, поскольку требует меньшего количества компонентов
9. Нет необходимости в STATCOM или конденсаторных батареях, и для преобразователей VSC устанавливается меньше фильтров
10. Затраты
По этим причинам, размеры расположенных в открытом море платформ для размещения конвертерных станций VSC, меньше, чем у платформ для решений, связанных с технологиями LCC. Поэтому экономически выгодно использовать VSC, поскольку затраты на строительство платформ в море значительно снижаются.
Недостатки систем HVDC VSC
- Экономично при увеличении расстояния и передаваемой электроэнергии.
- Для устранения потерь в передаче применяется высокое напряжение, поэтому БТИЗ соединяются последовательно, и необходимо адаптивное включение.
- Существующие возможности БТИЗ
Один БТИЗ может отключить не более 4000 А, что, фактически, обеспечивает передачу постоянного тока силой 1800 А. В настоящее время проводятся исследования многоуровневой топологии преобразователей с последовательным соединением БТИЗ. Хотя, в этом случае необходимы дополнительные сценарии обрабатывания сбоев.
- Требуется дополнительная энергия для охлаждения, кондиционирования воздуха, для работы устройств управления и защиты.
